趙琳娜 吳時(shí)雨 張加波 馮 偉 曾 婷 李 云

基于多姿態(tài)使用、多工位集成的智能裝備研究

趙琳娜1吳時(shí)雨1張加波1馮 偉2曾 婷1李 云1

（1. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2. 總裝與環(huán)境工程部，北京 100094）

針對某航天器產(chǎn)品總裝、電測、內(nèi)外場試驗(yàn)期間需要多姿態(tài)頻繁拆裝艙內(nèi)設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種多姿態(tài)使用、多工位集成的智能裝備。提出了采用特殊形狀翻轉(zhuǎn)架與自動(dòng)化翻轉(zhuǎn)架車集成的方式解決多工位融合的問題，減小了航天器產(chǎn)品對場地工位及移動(dòng)的需求，提高了產(chǎn)品研制效率。翻轉(zhuǎn)架車控制系統(tǒng)集成了角度編碼器、電機(jī)編碼器、電磁接觸器等設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向可視、轉(zhuǎn)速可調(diào)、轉(zhuǎn)角數(shù)顯等功能，且具備自鎖及任意位置止停功能。給出了裝備帶載、空載翻轉(zhuǎn)極限位置工況下受力情況及慣性矩情況分析，結(jié)果表明，該裝備具有足夠的強(qiáng)度和剛度來滿足航天器對集成精度的需求。該裝備已投入使用并取得了良好效果。

多姿態(tài)；自動(dòng)化；多工位集成；智能裝備；控制系統(tǒng)

1 引言

隨著宇航任務(wù)增多，航天器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，航天器產(chǎn)品地面裝配集成及試驗(yàn)測試過程越來越繁瑣，航天器產(chǎn)品整個(gè)研制生命周期中需要使用大量的地面裝備，地面裝備的性能較大程度地影響著工件和產(chǎn)品的裝配精度，高效、高可靠性的裝備可以極大地提高產(chǎn)品裝配和調(diào)試的效率[1，2]。針對某型號(hào)航天器總裝、電測、內(nèi)外場試驗(yàn)期間需要多姿態(tài)、多次頻繁進(jìn)行艙內(nèi)設(shè)備拆裝，且拆裝過程由基于KUKA機(jī)器人的機(jī)械臂完成的特點(diǎn)，深入研究可適用產(chǎn)品多姿態(tài)下多次反復(fù)拆裝并具備停放轉(zhuǎn)運(yùn)功能的智能裝配。目前，很多產(chǎn)品在裝配調(diào)試過程中需要頻繁翻轉(zhuǎn)，而現(xiàn)有對產(chǎn)品部裝、總裝過程中通過吊裝的方式來實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)[3]，仍需人工配合。這種方法自動(dòng)化水平低，生產(chǎn)效率低下；且對吊具的需求大，對生產(chǎn)調(diào)度有較大影響；工人參與起吊工作，容易發(fā)生安全事故。

提出了一種多姿態(tài)使用、多工位集成的智能裝備，該裝備采用特殊形狀翻轉(zhuǎn)架與自動(dòng)化翻轉(zhuǎn)架車集成的方式解決多工位融合的問題，減小了航天器產(chǎn)品對場地工位及移動(dòng)的需求，提高了產(chǎn)品研制效率，同時(shí)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)組件控制系統(tǒng)自動(dòng)化操作設(shè)備的翻轉(zhuǎn)、止停功能，大大提高了裝配過程中自動(dòng)化水平和可靠性[4～6]。

2 智能翻轉(zhuǎn)停放系統(tǒng)的構(gòu)建

某航天器智能翻轉(zhuǎn)停放系統(tǒng)如圖1所示，主要由翻轉(zhuǎn)架、支撐架車、翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件三部分組成，裝配集成及試驗(yàn)過程中，通過控制柜實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整功能和升降平臺(tái)的升降功能。

1—翻轉(zhuǎn)架 2—轉(zhuǎn)軸安裝座 3—模擬件 4—聯(lián)軸器 5—減速器 6—伺服電機(jī) 7—控制柜 8—腳輪 9—支撐架 10—螺旋升降機(jī) 11—升降平臺(tái) 12—備件箱

2.1 翻轉(zhuǎn)架

翻轉(zhuǎn)架包含有主框架、主動(dòng)軸、被動(dòng)軸及聚四氟乙烯套等組成部分，如圖2所示。作為星體模擬部件，翻轉(zhuǎn)架設(shè)計(jì)有4個(gè)產(chǎn)品與星體連接接口。同時(shí)，為了兼顧產(chǎn)品總裝、電測、內(nèi)外場試驗(yàn)時(shí)需拆裝的部件大小和基于KUKA機(jī)器人的機(jī)械臂活動(dòng)空間，設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)架主框架。翻轉(zhuǎn)架的主動(dòng)軸端由伺服電機(jī)控制翻轉(zhuǎn)，并通過電磁接觸器反饋轉(zhuǎn)動(dòng)角度及圈數(shù)的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)架整體的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)及精度補(bǔ)償。

1—主動(dòng)軸 2—主體結(jié)構(gòu) 3—被動(dòng)軸 4—四氟乙烯墊片

2.2 支撐架車

支撐架車主要由支撐架、主動(dòng)軸安裝座、被動(dòng)軸安裝座、控制柜安裝板、驅(qū)動(dòng)組件安裝板、升降機(jī)組成，如圖3所示。其中控制柜安裝在控制柜安裝板上，通過觸摸面板操控翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件控制產(chǎn)品的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1—轉(zhuǎn)軸安裝座 2—支撐架 3—驅(qū)動(dòng)組件安裝板 4—控制柜安裝板

2.3 翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件

翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件由電機(jī)、減速器、控制柜等組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，減速器帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)架的雙向180°翻轉(zhuǎn)。減速器采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式。傳動(dòng)軸的兩側(cè)分別安裝電機(jī)和手輪，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)和手動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式。

3 極限工況翻轉(zhuǎn)載荷分析

翻轉(zhuǎn)架在翻轉(zhuǎn)過程中所受阻力矩主要來自于翻轉(zhuǎn)架及工件回轉(zhuǎn)慣性力矩、軸承摩擦力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)部分偏心矩[7，8]，如式（1），其中，M為工件回轉(zhuǎn)慣性力矩，為承摩擦力矩，為轉(zhuǎn)動(dòng)部分偏心矩，保證電機(jī)最大功率條件下滿足最大轉(zhuǎn)速為90°/min，即平均速度v為1.5°/s，轉(zhuǎn)180°的總時(shí)長為150s，安全系數(shù)按1.25倍計(jì)算。

=M++（1）

設(shè)計(jì)算加速度為，啟動(dòng)時(shí)間為，為裝備相對轉(zhuǎn)軸的總旋轉(zhuǎn)慣量，通過式（2）可計(jì)算出M。

1/2εt+vp×(150-2)+εt=180 andp（2）

M=λ（3）

主要是作用在翻轉(zhuǎn)架支撐軸承上的重力載荷作用于鋼球上的徑向力產(chǎn)生，通過下式可算出，其中為摩擦系數(shù)，為作用在滾珠上的最大徑向力，為轉(zhuǎn)軸半徑。

=（4）

翻轉(zhuǎn)架收攏時(shí)翻轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)心通過回轉(zhuǎn)軸線，展開時(shí)質(zhì)心位置下移位移為10mm造成偏心，轉(zhuǎn)動(dòng)部分偏心力矩計(jì)算式如下，其中為翻轉(zhuǎn)架總重量。

=λ（5）

空載工況下翻轉(zhuǎn)總的阻力矩為650Nm，滿載工況下翻轉(zhuǎn)總的阻力矩為82.5Nm，因此按650Nm條件選取驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

4 極限工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

翻轉(zhuǎn)架在負(fù)載狀態(tài)下翻轉(zhuǎn)、水平、豎直放置過程中受到靜載荷作用，從而導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)架產(chǎn)生相應(yīng)變形，其中翻轉(zhuǎn)架水平、豎直工況為極限位置，會(huì)導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)架產(chǎn)生最大變形，因此利用ANSYS分別靜力學(xué)分析計(jì)算翻轉(zhuǎn)架的水平、豎直工況以及翻轉(zhuǎn)架車負(fù)載工況。

采用六面體單元網(wǎng)格劃分翻轉(zhuǎn)架及支撐架車，局部細(xì)化接觸和易出現(xiàn)應(yīng)力集中的小孔處。翻轉(zhuǎn)架及支撐架車均為鋼質(zhì)材料，彈性模量=206GPa，泊松比=0.3，密度=7800kg/m3。

將產(chǎn)品簡化為質(zhì)點(diǎn)，加載在質(zhì)心位置，質(zhì)量設(shè)置為300kg；升降平臺(tái)亦簡化為質(zhì)點(diǎn)，加上操作人員重量，質(zhì)量設(shè)為400kg；支撐車架底面設(shè)為固定約束，整個(gè)模型處于1個(gè)重力加速度作用下，邊界條件如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)架水平放置工況下邊界條件

4.1 翻轉(zhuǎn)架水平工況下仿真分析

圖5 翻轉(zhuǎn)架水平放置工況下應(yīng)力分布

翻轉(zhuǎn)停放裝備的應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示，翻轉(zhuǎn)停放裝備的所受最大應(yīng)力位于翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)軸安裝位置，大小為29.4MPa。支撐架車的變形情況分析結(jié)果如圖6所示，支撐架車的最大變形處位于翻轉(zhuǎn)架車支撐軸位置，大小為0.55mm。

圖6 轉(zhuǎn)架車水平負(fù)載工況下變形情況

翻轉(zhuǎn)架的變形情況分析結(jié)果，向最大變形量為0.11mm，最大變形處集中在翻轉(zhuǎn)架邊框，向最大變形為0.80mm，最大變形處集中在連接接口處。分析結(jié)果表明，在水平工況下，最大應(yīng)力和最大變形發(fā)生在翻轉(zhuǎn)架與支撐架車的連接處，即翻轉(zhuǎn)架支撐軸，這是由于翻轉(zhuǎn)架在水平狀態(tài)下，主框架厚度較薄，而翻轉(zhuǎn)架支撐軸相對于主框架較厚，且位于翻轉(zhuǎn)架中心處，所以該位置承擔(dān)了主要載荷，也導(dǎo)致該位置出現(xiàn)了最大變形量。單獨(dú)分析翻轉(zhuǎn)架的變形情況，發(fā)現(xiàn)方向和方向最大變形量發(fā)生在翻轉(zhuǎn)架與產(chǎn)品的連接接口處，這是由于該區(qū)域連接產(chǎn)品或工件，其連接螺釘所嵌受的壓力來自產(chǎn)品和翻轉(zhuǎn)架的主要載荷，因此出現(xiàn)相對較大的變形量。綜合以上分析，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，最大變形量也均滿足設(shè)計(jì)要求，說明該翻轉(zhuǎn)裝備在水平負(fù)載的工況下滿足強(qiáng)度和剛度要求。

4.2 翻轉(zhuǎn)架豎直工況下仿真分析

圖7為翻轉(zhuǎn)裝備應(yīng)力分析結(jié)果，由計(jì)算分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力為19.97MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求，最大應(yīng)力處位于支撐架車底盤位置。圖8為支撐架車的變形情況，最大變形量為0.76mm，最大變形處為支撐架車底盤位置。

圖7 翻轉(zhuǎn)架豎直負(fù)載工況下應(yīng)力分布情況

圖8 支撐架車豎直負(fù)載工況下變形情況

a 翻轉(zhuǎn)架豎直負(fù)載工況下軸方向變形情況

b 翻轉(zhuǎn)架豎直負(fù)載工況下軸方向變形情況

圖9 翻轉(zhuǎn)架豎直負(fù)載工況下，豎直面上變形情況

圖9為翻轉(zhuǎn)架變形情況，方向最大變形量為0.39mm，最大變形處集中在翻轉(zhuǎn)架邊框，4個(gè)接口處的最大相對變形為0.155mm；方向最大變形為0.64mm，最大變形處集中在產(chǎn)品連接接口的連接梁上，4個(gè)接口的最大相對變形為0.60mm。從應(yīng)力云圖和變形云圖可以看出，在豎直工況下，最大應(yīng)力和最大變形發(fā)生在支撐架車的底盤位置，這是由于翻轉(zhuǎn)架豎直負(fù)載時(shí)，產(chǎn)品重量加上裝備自身重力導(dǎo)致重心降低，支撐架車底盤區(qū)域較大，所以該位置承受了主要載荷，也出現(xiàn)了最大變形量。翻轉(zhuǎn)架的變形情況與水平工況下類似，方向和方向最大變形量發(fā)生在翻轉(zhuǎn)架與產(chǎn)品的連接接口處，是由于該位置承擔(dān)了產(chǎn)品和翻轉(zhuǎn)架的主要載荷。最大應(yīng)力和最大變形量均滿足設(shè)計(jì)要求，說明該翻轉(zhuǎn)裝備在豎直負(fù)載的工況下同樣滿足強(qiáng)度和剛度要求。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到產(chǎn)品實(shí)際使用狀態(tài)并兼顧人機(jī)工程原理，設(shè)計(jì)一款便于操作、檢修的控制系統(tǒng)，使翻轉(zhuǎn)架整體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向可視、轉(zhuǎn)速可調(diào)、轉(zhuǎn)角數(shù)顯等功能，并具備自鎖及任意位置止停功能，能夠?qū)崿F(xiàn)360°范圍內(nèi)任意翻轉(zhuǎn)。其中角度精度能夠控制在0.5°并設(shè)置有旋轉(zhuǎn)前歸置零位功能，支持自動(dòng)和手工兩種操控模式。當(dāng)系統(tǒng)斷電情況下，連接電機(jī)電纜，連接角度傳感器，確認(rèn)斷路器、伺服電源開關(guān)處于關(guān)狀態(tài)，再連接交流輸入電纜；合斷路器，觸摸屏上電；打開伺服電源，控制回路（K2閉合）先上電，警報(bào)復(fù)位后，主電源上電（K1閉合），選擇檔位開關(guān)，通過觸摸屏操作向PLC發(fā)送脈沖輸出指令，PLC根據(jù)檔位和方向輸入，執(zhí)行相應(yīng)流程，向驅(qū)動(dòng)器輸出指定的頻率脈沖和方向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)輸入完成對電機(jī)的控制；PLC高速脈沖計(jì)數(shù)輸入與編碼器反饋連接，臨控電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向，并在觸摸屏顯示。

機(jī)箱內(nèi)部布線布局采用直流、交流分開走線方式，互不交叉、互不干擾。為了增加抗干擾性，實(shí)際電裝時(shí)，直流線與交流線最小間隔距離為30mm。信號(hào)線均為數(shù)字信號(hào)，采用多芯屏蔽電纜單獨(dú)走線，提高抗干擾性，機(jī)箱內(nèi)部整體布局簡潔美觀。

考慮到斷電后仍然可手動(dòng)操作的工況，電機(jī)選用無抱閘模式的電機(jī)。當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，無法使用手動(dòng)模式；當(dāng)電機(jī)斷電時(shí)，無力矩，可使用手搖輪手動(dòng)操作。因此手動(dòng)模式切換必須在設(shè)備整體斷電情況下進(jìn)行。

6 翻轉(zhuǎn)、承載情況試驗(yàn)驗(yàn)證

智能翻轉(zhuǎn)停放系統(tǒng)在制造過程中與分析數(shù)據(jù)存在差異，為了此智能裝備的可靠性和穩(wěn)定性，全面驗(yàn)證翻轉(zhuǎn)停放系統(tǒng)的使用工況并精測各工況下接口位置，同時(shí)驗(yàn)證產(chǎn)品過載、插鎖定銷后啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)等特殊情況。

表1 豎直工況下數(shù)據(jù)對比

架車豎直工況下，滿載時(shí)4個(gè)產(chǎn)品接口處用激光跟蹤儀精測數(shù)據(jù)與分析值對比，見表1，誤差控制在5%以內(nèi)，證明分析方法有效。

表2 水平工況下數(shù)據(jù)對比

架車翻轉(zhuǎn)180°工況下，滿載時(shí)4個(gè)產(chǎn)品接口處用激光跟蹤儀精測數(shù)據(jù)與分析值對比，見表2，誤差控制在5%以內(nèi)，證明分析方法有效。

7 結(jié)束語

基于多姿態(tài)使用、多工位集成的智能裝備具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

a. 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，翻轉(zhuǎn)功能由驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，提高了產(chǎn)品部裝以及總裝效率；

b. 通過力學(xué)計(jì)算分析可知，在水平工況下翻轉(zhuǎn)架車所受的最大應(yīng)力為29.4MPa；翻轉(zhuǎn)架在向上最大變形量為0.11mm，在向上最大變形量為0.80mm；在豎直工況下翻轉(zhuǎn)架車所受的最大應(yīng)力為19.97MPa；翻轉(zhuǎn)架在向上最大變形量為0.39mm，在向上最大變形量為0.64mm。能夠滿足3倍安全系數(shù)的使用需求；

c. 具備轉(zhuǎn)向可視、轉(zhuǎn)速可調(diào)、轉(zhuǎn)角數(shù)顯功能，且翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件具備自鎖功能，翻轉(zhuǎn)到位即可停止，避免了人工翻轉(zhuǎn)帶來的誤差，有效提高了可靠性和裝配精度；

d. 在翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證過程中保持平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)和擺動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)品接口精度與分析值匹配，滿足設(shè)計(jì)要求，使用效果良好，為航天器產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化裝配集成提供了一種新思路。

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Research on Intelligent Equipment Based on Multi-Attitude Use and Multi-station Integration

Zhao Linna1Wu Shiyu1Zhang Jiabo1Feng Wei2Zeng Ting1Li Yun1

(1. Beijing SpaceCraft, Beijing 100094；2. Assembly and Environmental Engineering Department, Beijing 100094)

Aiming at the characteristics of frequent disassembly and assembly of in-cabin equipment during the assembly, electrical measurement and field test of a spacecraft product, intelligent equipment with Multi-attitude and multi-station integration was designed, and the problem of multi-station integration was solved by the integration of special shape overturning frame and automatic overturning frame vehicle. It reduces the requirement of space station and mobile for spacecraft products, and it improves the efficiency of product development. Theturning frame control system integrates angle encoder motor encoder, electromagnetic contactor and other equipment, which can realize the functions of steering visualization, speed adjustable, angel digital display, and has self-locking and stopping function at any position. The force and inertial moment of the turning frame under the condition of no-load and on-load turning limit position are analyzed. The results show that the equipment has enough strength and stiffness to meet the requirement of integration accuracy for spacecraft. The equipment has been put into use and achieved good results.

multi-attitude；automation；multi-station integration；intelligent equipment；control system

國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃（JCKY2016203B081）。

趙琳娜（1988），工程師，星船機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向：大型空間展開機(jī)構(gòu)地面試驗(yàn)裝備研發(fā)。

2019-07-19